DE1003826B - Kopplungsvorrichtung zur Verbindung eines Hoechstfrequenzgeraetes mit einem Hohlleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kopplungsvorrichtungen zur hochfrequenten Verbindung eines Höchstfrequenzgerätes mit einer Wellenführung oder einem weiteren Höchstfrequenzgerät. Für diese Art von Kopplungsvorrichtungen sind die sogenannten Auskoppelfenster bekannt, die aus einem am Höchstfrequenzgerät hermetisch abschließend befestigten, hochfrequenzduTchlässig und fensterartig ausgebildeten Teil bestehen. Diese Auskoppelfenster dienen beispielsweise der Übertragung von Hochfrequenzenergie von einer Elektronenentladungsanordnung auf eine Hohlrohrleitung.

Unter den vorerwähnten bekannten, Kopplungsanordnungen gibt es solche mit Resonanzeigenschaften, bei denen das fensterartige Teil aus dielektrischem Material, wie z. B. Glas, Glimmer, Keramik oder Saphir, besteht und hermetisch abschließend beispielsweise für sogenannte Nulloden, Magnetrone oder Klystrone dient. Diese Auskoppelfenster sind im allgemeinen ebenflächig ausgebildet und so angeordnet, ao daß bei Anschluß einer Hohlrohrleitung an das Fenster die Hohlrohrleitung die Anglasungsstelle mit umschließt, wodurch diese dem Hochfrequenzfeld des in der Leitung sich ausbreitenden Energieflusses unterworfen ist. Es ist erforderlich, daß ein derartiges Koppelfenster die Impedanzbedingungen innerhalb der Hohlrohrleitung nicht stört, damit die Höchstfrequenzanordnung an- die Hohlrohranordnung angepaßt bleibt.

Wenn derartige Koppelfenster in Anordnungen verwendet werden, die im, Gebiet der Mikrowellen arbeiten, so sind sie sehr schwierig herzustellen, und da sie Resonanzanordnungen bilden, bestimmen ihre physikalischen Abmessungen und Eigenschaften, den Betrag an Hochfrequenzleistung, den sie zu verarbeiten, in der Lage sind. Beispielsweise sei angeführt, daß bei einem handelsüblichen verlustarmen Glas die mittlere, höchstzulässige Hochfrequenzbelastung ohne Druckluftkühlung in der Größenordnung von 30 bis 100 Watt/cm² liegt für Wandungsstärken in der Größenordnung von 2,54 mm bis zu etwa 0,254 mm. Mit Druckluftkühlung kann die mittlere, höchstzulässige Belastung bis zu etwa 200 Watt/cm² erhöht werden. Diese Daten ändern sich nicht wesentlich mit der Frequenz und sind über einen relativ sehr weiten Frequenzbereich von beispielsweise 2000 bis 30000 MHz gültig und auch noch in den benachbarten und weiter darüberliegenden Frequenzbereichen.

Aus den vorstehenden Angaben wird ersichtlich, daß für ein Resonanzkoppelfenster von etwa 5 bis 8 qcm Fläche die maximal zulässige Hochfrequenzbelastung, die bei der Übertragung auftritt, in der Größenordnung von etwa 1 Kilowatt liegt, und daß für größere Hochfrequenzleistungen, d. h. in der Kopplungsvorrichtung zur Verbindung

eines Höchstfrequenzgerätes

mit einem Hohlleiter

Anmelder:

Electric & Musical Industries Limited,
Hayes, Middlesex (Großbritannien)

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 27. November 1954 oind 4. November 1955

Karl Heinz Kreuchen, Hounslow, Middlesex

(Großbritannien),
ist als Erfinder genannt worden

Größenordnung einer mittleren Leistung von 10 bis 100 Kilowatt, eine hiervon verschiedene Form von Koppelfenstern benötigt wird.

Es ist bereits bekannt, zur Vermeidung der oben geschilderten Nachteile das Auskoppelfenster derart auszubilden, daß es an einer hochfrequenzfeldfreien Stelle des Höchstfrequenzgerätes befestigt ist.

Fernerhin ist es bekannt, daß Quarz eine niedrige Dielektrizitätskonstante, einen niedrigen Verlustfaktor und einen niedrigen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, so daß es an sich ein ausgezeichnetes Material für die Benutzung als hochfrequenzdiurchlässiges Teil in einem Koppelfenster bildet. Bei einer bekannten Anordnung wird daher Quarz als Material für ein Koppelfenster benutzt, das über eine abgestufte Anglasung an einer hochfrequenzfeldfreien Stelle des Höchstfrequenzgerätes befestigt ist. Bisher machte jedoch die Anwendung dieses Materials große Schwierigkeiten bei der Herstellung eines zufriedenstellenden hermetischen Abschlusses bzw. einer zufriedenstellenden hermetisch abschließenden Verbindung zwischen diesem Material und den Teilen der Koppelvorrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der es ermöglicht, Kopplungsvorrichtungen mit fensterartigen, hochfrequenzdurchlässigen Teilen zu verbessern.

Gemäß der Erfindung wird bei einer Kopplungsvorrichtung zur hochfrequentem Verbindung eines Höchstfrequenzgerätes mit einem Hohlleiter, be-

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stehend aus einem hochfrequenzdurchlässig und fensterartig ausgebildeten Teil, das sich über die Kopplungsöffnung des Höchstfrequenzgerätes und über die Hohlleiteröffnung erstreckt und das mit dem Höchstfrequenzgerät durch eine im wesentlichen außerhalb des Hochfrequenzfeldes angeordnete Anschmelzung hermetisch abschließend verbunden ist, vorgeschlagen, ein Zwischenstück zwischen der Anschmelzung und dem Höchstfrequenzgerät vorzusehen,

genannte Hochfrequenzdrossel bildet. Ein aus Quarz bestehendes fensterartiges Teil 17, das mit einem hohlkegelflächenartig ausgebildeten Abschnitt versehen ist und das des weiteren an der Kegelbasis einen

konstruktiven Einzelheiten durchaus bekannt und geläufig sind, ist in der Fig. 1 nur ein kleiner Teil der Entladungsanordnung 10 gezeigt. Der ausgangsseitige Hohlraumresonator 11 der Entladungsanordnung 10 5 ist in der Weise dargestellt, daß er in eine ausgangsseitige Kopplungsiris 12 ausläuft, die von einem ringförmigen Flansch 13 umgeben ist. Die Hochfrequenzleistung tritt von der Iris 12 in einen kurzen Abschnitt einer Wellenführung, im vorliegenden Fall das derart flexibel ausgebildet ist, daß Bewegungen io einer Hohlrohrleitung 14 kreisförmigen Querschnittes, des fensterartigen Teiles während der Herstellung ein, die an dem Flansch 13 befestigt ist. Diese Hohloder während des Betriebes des Höchstfrequenz- rohrleitung 14 wird durch einen ringförmigen Flansch gerätes von dem Zwischenstück derart aufgenommen 15 abgeschlossen, der nahe seinem Rand einen ringwerden, daß das Auftragen mechanischer Spannungs- artigen und zumindest angenähert zentrisch zur Hohlzustände¹ an der Anschmelzung oder an dem fenster- 15 rohrachse verlaufenden Schlitz 16 besitzt, der eine soartigen Teil im wesentlichen verhindert wird.

Das flexibel ausgebildete Zwischenstück beseitigt die Gefahr der Beschädigung des Auskoppelfensters durch mechanische Spannungszustände, die bei der

Herstellung und beim Betrieb der Anordnung auf- 20 Ringflansch 18 besitzt, ist mit seinem äußeren Rand treten. Damit werden, Ausschuß bei der Herstellung 18 an einem zylinderartigen Teil 19 befestigt, welches und Ausfälle beim Betrieb durch Undichtwerden des aus mehreren einzelnen Glasringen besteht, die eine Vakuumgefäßes beträchtlich reduziert. sogenannte abgestufte Anglasung bzw. Anschmelzung

Dadurch, daß die Verbindung des fensterartigen bilden. Der Endring 19° des Teiles 19 besteht aus Teiles mit dem Höchstfrequenzgerät außerhalb' des 25 einem Glasmaterial, das im Ausdehnungsverhalten an Hochfrequenzfeldes liegt, ist hinreichend Raum für eine handelsübliche Eisen-Nickel-Legierung angepaßt eine abgestufte Befestigung zwischen dem Fenster und ist. Er ist an einen aus einer solchen Legierung bedem Teil, an dem das Fenster befestigt ist, vorhanden, stehenden Metallring 20 angeschmolzen,. Dieser Mewodurch Quarz oder andere für das Fenster brauch- tallring20 ist seinerseits erfindungsgemäß an einem bare Stoffe, die schwierig zu befestigen sind, Anwen- 30 ringförmigen, biegsamen Balg 21 und dieser an dem dung finden können. Zweckmäßig wird hierbei die Be- Flansch 13 mittels einer Hartlötung befestigt, so daß festigung in Form einer Anschmelzung vorgesehen. das ganze Fenster 17 hermetisch dicht an der Anord-

Das vorerwähnte fensterartige¹ Teil kann als nicht nung 10 befestigt ist.

resonante Anordnung mit Kegelflächenform ausge- Der konische Abschnitt des Fensters 17 hat zweckbildet werden, das an der Kegelbasis mit einem in 35 mäßig eine Länge in der Größenordnung einiger radialer Richtung sich erstreckenden Flansch versehen Wellenlängen in der Hohlrohrleitung, an welche es — ist. Ein derartiges Fenster wird in weiterer Aus- wie nachstehend erläutert — angekoppelt ist. Das begestaltung der Erfindung zweckmäßig derart aus- schriebene Fenster bzw. die beschriebene Koppelvorgebildet, daß der kegelflächenartige Vorsprung vor- richtung ist eine nicht resonante Anordnung. Die zugsweise mehrere Wellenlängen in der Wellenführung 40 Wandungsstärke ist daher in keiner Weise kritisch, lang ist. Der kegelnächenf örmige Teil wird des wei- Die Bälge 21 dienen, zur Reduzierung von Spannunteren, zweckmäßig von den Teilen des Höchstfrequenz- gen, die im Fenster 17 während der Herstellung aufgerätes oder der Wellenführung umschlossen, die den treten und auch später bei der Befestigung eines Hohl-Hoehfrequenzübertragungsweg festlegen. Der vom rohrleitungsabschnittes 22 auftreten können. Im ferti-Höchstfrequenzgerät aus wegführende oder zu diesem 45 gen Zustand, d. h. bei an dem Gerät 10 befestigtem hinführende Wellenübertragungsweg kann aus einem Fenster 17 und Balg 21, ist der ringflanschartige Abkurzen Hohlrohrleitungsabschnitt bestehen, der an schnitt 18 in geringfügigem Abstand vom Flansch 15. seinem freien Ende mit einem ringartigen Flansch Das Gerät kann nun auf eine geeignete Temperatur, zur Verbindung mit einem weiteren Hohlrohrabschnitt z. B. 750° C, erwärmt und gleichzeitig evakuiert werversehen ist, der einen gleichartigen Flansch zum An- 5° den. Während der Evakuierung wird das Fenster 17 Schluß besitzt. Zwischen den beiden aneinander- sozusagen in die Anordnung eingesaugt, so daß der zufügenden Flanschen ist das fensterartige Teil in
Form einer Zwischenlage einzufügen.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachstehend an Hand von zwei Ausführungsbeispielen 55 für ein Auskoppelfenster einer Klystronanordnung auf eine Hohlrohrleitung näher erläutert.

Die Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Klystronanordnung, die mit einer nicht resonanten Kopplungsfensteranordnung von konischer Form versehen ist, 60 mit den Drosseln 16 und 24 liegt. Dieses zweite Hohl- und die Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anordnung, bei der rohrleitungsstück ist am Flansch 13 der Anordnung die fensterartige Kopplungsvorrichtung als Resonanz- 10 durch übliche Mittel, wie z. B. Bolzen 25 oder ähnanordnung, oder auch in der Fachsprache als Reso- liches, befestigt. Die Hohlrohrleitung 22 endet in nanzfenster bezeichnet, ausgebildet ist. einem üblichen Kopplungsflansch, an den, weitere

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 10 eine elektrische 65 Hohlrohrleitungsabschnitte in der für den Fachmann Entlastungsanordnung nach Art des Klystrons be- geläufigen Weise angeschlossen, werden können, zeichnet, die beispielsweise derart ausgebildet sein Es ist ersichtlich, daß beim Betrieb der gesamten

soll, daß sie 50 Kilowatt mittlere Hochfrequenz- Anordnung die Teile des Fensters 17, die dem Hochleistung in einem Frequenzbereich zwischen 2000 und frequenzfeld der Anordnung 10 ausgesetzt sind, das 4000 MHz abgibt. Da derartige Anordnungen in ihren, 70 ist der konische Teil innerhalb der Hohlrohrleitung 22

Ringflansch 18 eng gegen den Flansch 15 anliegt (infolge des äußeren: Drucks). Diese Bewegung des Fensters 17 wird durch den Balg 21 aufgenommen.

Eine Wellenführung, im vorliegenden Fall eine Hohlrohrleitung 22 mit einem Ringflansch 23 und einer ringartigen Schlitzverdrosselung 24, ist über den konischen Teil des Fensters 17 angeordnet, derart, daß sie hiergegen in Ausrichtung zum Ringflansch 18

und der zwischen den Hohlrohrleitungsflanschen 15 und 23 eingeschlossene Ringflansch 18, aus verlustarmem Material bestehen, wobei der hermetische Abschluß der Anordnung, der durch die abgestufte Anglasung 19 und den Ring 20 gebildet wird, die aus weniger verlustfreiem Material bestehen, an Stellen angeordnet ist, in denen im wesentlichen kein Hochfrequenzfeld vorhanden ist. Das Entweichen von Hochfrequenzenergie durch den Entweichungspfad 15-18-23 ist sehr gering, einerseits infolge der hohen Kapazität zwischen den- Flanschen 15 und 23, die den Ringflansch 18 einschließen, und andererseits, weil ein geringer entweichender Anteil wirksam abgehalten wird durch den besonderen Abschluß, den die Drosseln 16 und 24 bilden, Diese Drosseln 16 und 24 sind nämlich so ausgebildet, daß sie an ihren offenen, den Flanschen, zugewandten Enden jeweils eine hohe Impedanz darstellen, die sich — am Flansch betrachtet — eine VierteJbetriebswellenlänge in radialer Richtung von der inneren Hohlrohrwandung entfernt befindet und damit zwischen den Kanten der inneren Hohlrohrleitungsfläche an der Unterbrechungsstelle eine sehr niedrige Impedanz bewirkt, praktisch einen Kurzschluß.

Wenn die Anordnung über ein weites Frequenzgebiet arbeiten soll, z.B. über einige 100 MHz hinweg, werden an Stelle der einzelnen Drosseln 16 und 24 zweckmäßig eine Reihe derartiger Drosseln, vorgesehen,, die untereinander verschiedene Sperrfrequenzen haben, so daß auf diese Weise der Entweichungspfad der Leitungskupplung über ein weites, nämlich das benötigte Frequenzgebiet hin gesperrt ist.

Bei einer praktisch ausgeführten Anordung besaßen die Hohlrohrleitungsabschnitte 14 und 22 bei rohrzylindrischer Ausführung einen Innenradius von 5 cm. Eine derartige Hohlrohrleitung besitzt eine Grenzwellenlänge von angenähert 17 cm, sie ist daher für die Benutzung im Frequenzgebiet um 3000 MHz geeignet. Wenn man 60 Watt/cm² als aus Sicherheitsgründen für Quarz zulässige mittlere Hochfrequenzleistung zuläßt, dann sollte die Länge des konischen Teiles des Fensters 17 etwa 50 cm lang sein für eine geforderte Leistungsübertragung von beispielsweise 50 Kilowatt. Auf diese Weise ist gleichzeitig das Fenster 17 einige Hohlrohrwellenlängen lang, und ein derartiger Konus verursacht deshalb nur sehr geringe Störungen in der Hohlrohrleitung 22, so daß ein weites Frequenzgebiet mit einem praktisch vernachlässigbaren stehenden Wellenverhältnis überstrichen werden kann, wobei der Frequenzbereich nur durch die Eigenschaften des Verdrosselungssystems beigrenzt ist.

Beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel ist. der konische Abschnitt des Fensters 17 derart angeordnet, daß er sich nach dem Hohlrohrleitungsabschnitt 22 hin, und in dessen Inneres erstreckt. Dieser konisch ausgebildete Abschnitt kann indessen auch nach der Anordnung 10 hin geführt werden, insbesondere dann, wenn die nach dieser Seite zu vom Radialflansch 18 aus liegenden Teile und auch die Länge des Flansches hierfür geeignete Abmessungen, besitzen.

Auch für den Fall, daß es sich bei der Höchstfrequenzanordnung um eine solche handelt, die mit geringerer Hochfrequenzleistung arbeitet bzw. nur geringere Hochfrequenzleistungen erzeugt, und in der daher ein sogenanntes Resonanzkoppelfenster Anwendung finden kann, empfiehlt es sich, die hermetisch abschließende Verbindung bzw. die Anglasung oder Anschmelzung des Fensters an die Höchstfrequenzanordnung in einem Bereich oder an einer Stelle vorzusehen, wo im wesentlichen kein Hochfrequenzfeld vorhanden ist. Eine derartige Anordnung ist in der Fig. 2 dargestellt, und aus Vereinfachungsgründen sind die mit der Anordnung nach Fig. 1 gleichartigen Teile in gleicher Weise wie in der Fig. 1 bezeichnet.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist eine in bekannter Weise geeignet ausgebildete Irisblende 26 an, dem Ende des Hohlrohrleitungsabschnittes 14 angeordnet, das der Blende 12 abgewandt ist. Diese Blende 26 ist durch ein ebenes Fenster 27 abgedeckt, welches wiederum beispielsweise aus Harz bestehen kann und sich über die Blendenöffnung-26 hin erstreckt. Das ebene Fenster 27 liegt zwischen den Hohlrohrleitungsflanschen, 15 und 23. Der hermetische bzw. vakuumdichte Abschluß des Fensters 27 ist wiederum über eine abgestufte Anglasung 19 zu einem Ring 20 hergestellt, der seinerseits an einem Balg 21 befestigt ist. Der hermetische Abschluß liegt demzufolge wiederum in einem Bereich, in dem im wesentlichen kein Hochfrequenzfeld vorhanden ist. Die Konstruktion des Resonanzfensters ist auf diese Weise in vieler Hinsicht wesentlich vereinfacht, als nämlich die Probleme, die mit der Bewegung und der Belastung des Fensters während des Evakuietrens und Erhitzens entstehen, durch die Aufnahme der entsprechenden Spannungen in dem Balg 21 gelöst werden, und da es durch die erfindungsgemäße Lösung des weiteren ermöglicht wird, Material mit niedrigem Verlustfaktor für das Fenster zu verwenden.

Obwohl die Erfindung- bei den beiden Ausführungsbeispielen, an Hand eines Fensters erläutert ist, das aus Quarz besteht, ist die Anwendung der erfindungsgemäßen Lehre auf Quarzfenster in keiner Weise beschränkt. Vielmehr kann an Stelle von Quarz auch anderes dielektrisches Material, wie beispielsweise Glas oder Keramik oder ähnliches, Anwendung finden.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Kopplungsvorrichtung zur hochfrequenten Verbindung eines Höchstfrequenzgerätes mit einem Hohlleiter, bestehend aus einem hochfrequenzdurchlässig und fensterartig ausgebildeten Teil, das sich über die Kopplungsöffnung des Höchstfrequenzgerätes und über die Hohlleiteröffnung erstreckt und das mit dem Höchstfrequenz gerät durch eine im wesentlichen, außerhalb des Hochfrequenzfeldes angeordnete Anschmelzung hermetisch abschließend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zwischenstück zwischen der Anschmelzung und dem Höchstfrequenzgerät vorgesehen ist, das derart flexibel ausgebildet ist, daß Bewegungen des fensterartigen Teiles während der Herstellung oder während des Betriebes des Höchstfrequenzgerätes von dem Zwischenstück derart aufgenommen werden, daß das Auftreten mechanischer Spannungszustände an, der Anschmelzung oder an dem fensterartigen Teil im wesentlichen verhindert wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Metallteil rohrförmig ausgebildet und mit einer ringartigen (allenfalls ziehharmonikaartigen,) Wellung versehen ist.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fensterartige Teil aus verlustarmem Dielektrikum, beispielsweise Quarz, besteht.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch, gekennzeichnet, daß das fensterartige Teil mit dem Höchstfrequenzgerät oder gegebenenfalls

mit dem daran befestigten flexiblen Metallteil über ein, oder mehrere Zwischenglieder derart verbunden ist, daß eine Anpassung hinsichtlich der Wärmeausdehnungen erzielt wird.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das fensterartige Teil zwischen benachbarten Endflanschen zweier hochfrequent miteinander verbundenen Hohlrohrabschnitte angeordnet ist.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das fensterartige Teil kegelflächenartig ausgebildet und mit einem von der Kegelbasis aus in radialer Richtung sich erstreckenden Ringflansch versehen ist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das fensterartigeTeil mit seinem kegelflächenartigen Abschnitt im Innern des Übertragungsweges für die Hochfrequenz angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelflächenartige Abschnitt des fensterartigen Teiles in Übertragungsrichtung der Hochfrequenzenergie elektrisch mehrere Wellenlängen lang ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 404 086;
französische Patentschrift Nr. 947 517.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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